Študija potrjuje vlogo gena DJ-1 pri Parkinsonovi bolezni

Mutantni gen, imenovan DJ-1, povzroča recesivno obliko Parkinsonove bolezni, vendar molekularni mehanizem še vedno ni dobro razumljen. Da bi razumeli, kako DJ-1 hidrolizira ciklični 3-fosfoglicerinski anhidrid, zelo reaktiven, toksičen celični presnovek, so raziskovalci na Japonskem izvedli molekularne simulacije in biokemične analize, vključno z analizo mutacij, s čimer so potrdili vlogo DJ-1 pri patogenezi dedne Parkinsonove bolezni.

Z razkritjem aminokislin, ki sodelujejo pri njegovi katalitični aktivnosti, to delo postavlja temelje za prihodnje funkcionalne študije DJ-1. Študija je objavljena v reviji Journal of Cell Biology.

Gen DJ-1/PARK7, povezan z recesivno družinsko obliko Parkinsonove bolezni, kodira protein DJ-1, ki ima potencialno antioksidativno delovanje in ščiti celice pred mitohondrijskimi poškodbami. Pripisujejo mu širok spekter biokemičnih funkcij – od redoks-reguliranega šaperona in transkripcijskega regulatorja do glioksilaze, cisteinske proteaze in ciklične 3-fosfoglicerin anhidrid (cPGA) hidrolaze – vendar njegova natančna funkcija ostaja nejasna.

Vendar pa več dejstev o DJ-1 kaže, da bi lahko bila njegova primarna vloga pri hidrolizi cPGA. Ta encimska funkcija je skladna z molekularno strukturo DJ-1, prej opisana estrska aktivnost pa lahko odraža njegovo vlogo pri hidrolizi cPGA. Zaradi nestabilnosti cPGA je ta substrat težko eksperimentalno uporabiti, kar je omejilo naše razumevanje vloge DJ-1 pri pretvorbi tega reaktivnega stranskega produkta glikolize v razstrupljen 3-fosfoglicerat (3PG).

Da bi rešili to skrivnost, je ekipa raziskovalcev pod vodstvom profesorja Noriyukija Matsude in izrednega profesorja Yoshitake Moriwakija z Inštituta za integrirane študije Science Tokyo združila molekularne simulacije z biokemičnimi analizami in razkrila katalitični mehanizem hidrolize cPGA s proteinom DJ-1.

»Mutacijska analiza, namenjena identifikaciji aminokislinskih ostankov, ki so ključni za aktivnost cPGA hidrolaze, je bila doslej omejena na ostanek C106, in ni bil predlagan noben strukturni model kompleksa cPGA-DJ-1 ali mehanizma hidrolize,« pojasnjuje Matsuda in opisuje motivacijo za svojo študijo.

Da bi dokazali molekularni mehanizem hidrolize cPGA, je ekipa preučevala strukturo kompleksa DJ-1 s cPGA. Molekularno dinamične simulacije tega kompleksa so razkrile ključne aminokisline, ki tvorijo "vezavno mesto" DJ-1 in so odgovorne za prepoznavanje in vezavo cPGA.

Nato so te aminokislinske ostanke mutirali, da bi razjasnili podrobnosti mehanizma hidrolize cPGA. Ti poskusi so pokazali, da sta ostanka E15 in E18 pomembna za nastanek katalitskega žepa in vzpostavitev vodikovih vezi z molekulo cPGA. Ostanki G74, G75 in C106 so bili vključeni v stabilizacijo in nastanek tetraedričnega intermediata v reakcijski poti, medtem ko sta A107 in P158 določala nastanek vodikovih vezi s funkcionalnimi skupinami cPGA oziroma nastanek vezavnega mesta cPGA.

Pomembno je, da so raziskovalci pokazali, da delecija P158 in missense mutacija v A107 (ki jo najdemo tudi pri družinski Parkinsonovi bolezni) in vitro popolnoma odpravita aktivnost DJ-1 hidrolaze proti cPGA, kar potrjuje patofiziološke posledice mutacij DJ-1. Na podlagi teh rezultatov je ekipa predlagala nov šeststopenjski molekularni model reakcije DJ-1 hidrolaze.

Za oceno fiziološkega pomena DJ-1 so raziskovalci primerjali aktivnost cPGA hidrolaze v divjih tipih in celicah z izločitvijo DJ-1. V celicah z izločitvijo DJ-1 se je aktivnost cPGA hidrolaze znatno zmanjšala, kar je povzročilo kopičenje cPGA-modificiranih presnovkov. To kaže, da je cPGA glavna fiziološka tarča znanih substratov DJ-1, opažene mutacije pa povzročijo popolno izgubo hidrolizne funkcije cPGA.

Moriwaki in Matsuda povzemata svoje ugotovitve in sklepata:

"Verjamemo, da bo molekularni mehanizem, ki ga predstavljamo, zagotovil trdno osnovo za prihodnje funkcionalne študije DJ-1 in poglobil naše razumevanje patogeneze dedne Parkinsonove bolezni."